軋鋼機(jī)流水線傳送帶調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)綜合訓(xùn)練

綜合訓(xùn)練名稱：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)綜合訓(xùn)練

題目：軋鋼機(jī)流水線傳送帶調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

學(xué)    期：2017學(xué)年春季學(xué)期

專    業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化

班    級(jí)：電氣14-6班

姓    名：望家相

學(xué)    號(hào)：1416*423

指導(dǎo)教師：馨

遼寧工程技術(shù)大學(xué)

• 設(shè)計(jì)題目
  

• 設(shè)計(jì)任務(wù)
  

1.熟練掌握各種調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況要求合理的選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.依據(jù)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)計(jì)算。

3.通過(guò)系統(tǒng)仿真，對(duì)各模塊性能、電路連接情況進(jìn)一步加強(qiáng)理解。并通過(guò)對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，了解參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

• 畫(huà)出帶負(fù)載的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
• 采用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器
• 系統(tǒng)仿真
  

關(guān)鍵詞：原理圖；調(diào)節(jié)器；工程設(shè)計(jì)方法；參數(shù)整定；起動(dòng)過(guò)程；仿真

目錄

目的：

（1）熟練掌握各種調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況要求合理的選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

（2）依據(jù)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)計(jì)算。

（3）通過(guò)系統(tǒng)仿真，對(duì)各模塊性能、電路連接情況進(jìn)一步加強(qiáng)理解。并通過(guò)對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，了解參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

要求：

（1）畫(huà)出帶負(fù)載的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

（2）采用工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器

（3）系統(tǒng)仿真

如題1所示，為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快啟動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過(guò)程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過(guò)程。所以，我們希望達(dá)到的控制：?jiǎn)?dòng)過(guò)程只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。故而采用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)組成系統(tǒng)。

1.1.2系統(tǒng)的電路原理圖

為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電路兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣組成的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖如圖3所示。圖中ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR為電流調(diào)節(jié)器，TG表示測(cè)速發(fā)電機(jī)，TA表示電流互感器，GT是觸發(fā)電路，UPE是電力電子變換器。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給的電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。

根據(jù)圖3直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖可以方便的繪出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖4所示。其中為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，為電流反饋系數(shù)。

在考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖）的基礎(chǔ)上，即可繪出直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖5所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯示出來(lái)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于電流檢測(cè)信號(hào)中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可以用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，其濾波時(shí)間常數(shù)按需要選定，以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。然而，在抑制交流分量的同時(shí)，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號(hào)的作用，為了平衡這個(gè)延遲作用，在給定信號(hào)通道上加入一個(gè)同等時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是，讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的延時(shí)，使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜希瑥亩鴰?lái)設(shè)計(jì)上的方便。

由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時(shí)間常數(shù)用表示。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù)為的給定濾波環(huán)節(jié)。

所以直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖應(yīng)該與圖5有所不同，應(yīng)當(dāng)增加濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié)。如圖6所示。

在圖6點(diǎn)畫(huà)線框內(nèi)的電流內(nèi)環(huán)中，反電動(dòng)勢(shì)與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)麻煩。實(shí)際上，反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對(duì)電流環(huán)的影響。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即。這樣，在按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，也就算說(shuō)，可以暫且把反電動(dòng)勢(shì)的作用去掉，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖，如圖7所示。可以證明，忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)作用的近似條件是：

式中  ——電流環(huán)開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。

如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效的移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成，則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖8所示。

最后，由于和一般都比小的多，可以當(dāng)作小慣性群而近似的看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為：

式中  ——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；

      ——電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。

1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)。通過(guò)表1可得出，三相橋式電路的平均失控時(shí)間。

2）電流濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)初始條件有。

3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取。

表1各種整流電路的失控時(shí)間（）

整流電路形式	最大失控時(shí)間	平均失控時(shí)間
單相半波 單相橋式（全波） 三相半波 三相橋式、六相半波	20 10 6.67 3.33	10 5 3.33 1.67

4）電磁時(shí)間常數(shù)。已知電樞回路電感，則：

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并保證穩(wěn)態(tài)電壓無(wú)差，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)：

檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：，參照表2的典型Ⅰ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。

表2典型Ⅰ型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系

電流反饋系數(shù)。

電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。

電流開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，按表3，取，因此

參數(shù)關(guān)系	0.25	0.39	0.50	0.69	1.0
阻尼比	1.0	0.8	0.707	0.6	0.5
超調(diào)量	0%	1.5%	4.3%	9.5%	16.3%
上升時(shí)間		6.6	4.7	3.3	2.4
峰值時(shí)間		8.3	6.2	4.7	3.6
相角穩(wěn)定裕度	76.3°	69.9°	65.5°	59.2°	51.8°
截止頻率	0.243	0.367	0.455	0.569	0.786

電流環(huán)截止頻率：

• 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件
  

               

• 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件
  

• 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件
  

由圖11，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為：

，取

，                                  ，取

                                     ，取

按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為，滿足設(shè)計(jì)要求。

含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖11所示。圖中為電流給的電壓，為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓。

電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，由圖10可知，電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

忽略高次項(xiàng)，可降階近似為

式中  ——轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)頻率特性的截止頻率。

接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為，因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效成

這樣，原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似的等效成只有較小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。

用電流環(huán)的等效代替圖6中的電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示。

把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改為，再把時(shí)間常數(shù)為和的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中

式中  ——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；

      ——轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。

令轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益為

1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。根據(jù)上文中，則

2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)初始條件。

3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取

轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。

按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為

• 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為
  

                               ，滿足簡(jiǎn)化條件。

• 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為
  

                             ，滿足近似條件。

根據(jù)圖15，取，則

，取；

                                       ，取；

                                ，取。

當(dāng)時(shí)，查表4可得，，不能滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于表4是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR退飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量。

	3	4	5	6	7	8	9	10
	52.6%	43.6%	37.6%	33.2%	29.8%	27.2%	25.0%	23.3%
	2.40	2.65	2.85	3.0	3.1	3.2	3.3	3.35
	12.15	11.65	9.55	10.45	11.30	12.25	13.25	14.20
	3	2	2	1	1	1	1	1

由表5查得，則

	3	4	5	6	7	8	9	10
	72.2%	77.5%	81.2%	84.0%	86.3%	88.1%	89.6%	90.8%
	2.45	2.70	2.85	3.00	3.15	3.25	3.30	3.40
	13.60	10.45	8.80	12.95	16.85	19.80	22.80	25.85

含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖15所示，圖中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。

3 觸發(fā)器設(shè)計(jì)

集成觸發(fā)電路具有可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及，已逐步取代分立式電路。正組晶閘管VF，由GTF控制觸發(fā)，

——正轉(zhuǎn)時(shí)，VF整流；

——反轉(zhuǎn)時(shí)，VF逆變。

反組晶閘管VR，由GTR控制觸發(fā)，

——反轉(zhuǎn)時(shí)，VR整流；

——正轉(zhuǎn)時(shí)，VR逆變。

觸發(fā)電路采用集成移相觸發(fā)芯片TC787，與TCA785及KJ（或KC）系列移相觸發(fā)集成電路相比，具有功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、抗干擾性能好、移相范圍寬、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)。只需要一塊這樣的集成電路，就可以完成三塊TCA785與一塊KJ041、一塊KJ042器件組合才能具有的三相移相功能。

正組晶閘管觸發(fā)電路原理圖如圖所示，反組的與正組相同。

單結(jié)晶體管觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，輸出脈沖前沿陡，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)于控制精度要求不高的小功率系統(tǒng)，可采用單結(jié)晶體管觸發(fā)電路來(lái)控制；對(duì)于大容量晶閘管一般采用晶體管或集成電路組成的觸發(fā)電路。計(jì)算機(jī)數(shù)字觸發(fā)電路常用于控制精度要求較高的復(fù)雜系統(tǒng)中。各類觸發(fā)電路有其共同特點(diǎn)，一般由同步環(huán)節(jié)、移相環(huán)節(jié)、脈沖形成環(huán)節(jié)和功率放大輸出環(huán)節(jié)組成。

4 反饋環(huán)節(jié)、保護(hù)電路及其它電路設(shè)計(jì)

4.1反饋環(huán)節(jié)

反饋環(huán)節(jié)即轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路�？刂齐娐纷罱K的控制的目標(biāo)就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，任何電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，必定存在轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路。檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速有多種方式，數(shù)字電路中有碼盤(pán)電路，或者編碼器，在模擬電路中一般使用測(cè)速電機(jī)。測(cè)速電機(jī)的返回的電壓信號(hào)會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增加。

圖17轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

4.2保護(hù)電路

4.2.1交流側(cè)的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)

在變壓器副邊并聯(lián)電阻和電容，可以把變壓器鐵芯釋放的磁場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能量并儲(chǔ)存再電容中，因?yàn)殡娙莶豢梢允箖啥穗妷和蛔�，所以可以達(dá)到抑制過(guò)電壓的目的，而串入電阻的目的是為了在能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中消耗一部分能量，從而防止因變壓器漏感和并聯(lián)電容構(gòu)成的震蕩回路再閉合時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓，抑制了LC回路出現(xiàn)震蕩，電路圖如下所示：

圖18交流側(cè)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路圖

其中，C和R的計(jì)算公式為

C≥6I%S/U22；R≥2.3U22

在公式中：

S——變壓器每相平均電壓計(jì)算容量，單位VA         

U2—— 變壓器二次側(cè)相電壓有效值，單位 V         

I%——變壓器激磁電流百分?jǐn)?shù)         

Uk%——變壓器的短路比

4.2.2直流側(cè)的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)

PWM變換器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓Us。由于電容容量較大，突加電源時(shí)相當(dāng)于短路，勢(shì)必產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管，為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間傳入電阻Rz，合上電源后，用延時(shí)開(kāi)關(guān)將Rz短路，以免在運(yùn)行中造成附加損耗。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這式電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rx消耗掉這些能量，在泵升電壓達(dá)到允許值時(shí)接通VT5。

4.2.3快速熔斷器短路保護(hù)

熔斷器的作用：當(dāng)電路發(fā)生故障或異常時(shí)，伴隨著電流不斷升高，可能損壞電路中的某些重要器件，也有可能燒毀電路甚至造成火災(zāi)。若安裝熔斷器，則熔斷器就會(huì)在電流異常升高到一定高度的時(shí)候，自身熔斷，切斷電流，從而起到保護(hù)電路的作用。

為了防止由于電流過(guò)大而燒毀電力二極管，在二極管回路上加快速熔斷器，在主回路中應(yīng)加入熔斷器。

參考文獻(xiàn)

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